Гэвин Претор-Пинни - Занимательное волноведение. Волненя и колебания вокруг нас
Вы заметили, что в тумане звук распространяется дальше? К примеру, вы отчетливо слышите отдаленный смех. Или колокольный звон, который обычно до вас не доносится. Мне всегда нравилось прогуливаться в тумане — когда при этом слышишь звуки, кажется, что они долетают из потустороннего мира. На самом деле причина не в самом тумане — висящие в воздухе крошечные капельки воды слишком малы, чтобы влиять на звук. Влияет на него температура воздуха возле поверхности земли, которая и приводит к образованию тумана; именно благодаря ей перезвон церковных колоколов разносится далеко по округе.
Температура воздуха в процессе подъема меняется, что сказывается на отражении звуковых волн — через теплый воздух они распространяются быстрее, нежели через холодный. Обычно с набором высоты температура понижается, из-за чего звуковые волны отражаются вверх, уходя от земли по кривой траектории. Поскольку звуковая волна колокольного звона искривляется вверх, она в конце концов поднимается так высоко, что звона больше не слышно. Туман образуется при обратной температурной норме — когда воздух у поверхности земли прохладнее, чем на высоте. Данный феномен называется температурной инверсией; в тумане звуковые волны искривляются вниз, по направлению к земле, а не по направлению к атмосфере.
Инверсия нормальных температур происходит в том случае, когда воздух у поверхности земли в безоблачную зимнюю ночь охлаждается, а земля при этом быстро отдает накопленное за день тепло. Или же когда поток воздуха проходит над особенно холодным озером или океаническим течением. Но какова бы ни была причина тумана, температурная разница вынуждает звук распространяться через прохладный воздух у поверхности земли с меньшей скоростью, нежели через более теплый воздух верхних слоев атмосферы. Именно благодаря этой местной температурной инверсии звуковые волны устремляются не от земли, а к земле. Звук «обнимает» землю, в результате чего колокола слышны гораздо дальше, чем при обычной погоде.
Вот почему в туманный день вы слышите колокольный звон, который в обычную погоду до вас не доноситсяВы можете подумать, что на самом деле Второй закон волны никакого отношения к распространяющимся через воздух звуковым волнам не имеет — волны ведь не пересекают границу, «переходя из одной среды в другую». Однако для изменения направления волнам необходимо всего-навсего изменить скорость. А для этого достаточно плавной смены характеристик среды, в которой они находятся, например, изменения температуры воздуха. Скорость волн при таком условии меняется, и нет необходимости ни в резкой границе между средами, ни в наличии принципиально иной среды.
Моряки, оказываясь в тумане слишком близко от берега, давно уже научились оборачивать звуковую рефракцию себе на пользу. До изобретения радара, не говоря уж о GPS-навигации, нахождение судна в прибрежных водах зачастую оканчивалось трагически.
Однако мореходы, вооруженные знанием о том, что в условиях температурной инверсии звуковые волны проходят над морской поверхностью большее расстояние, изобрели грубое подобие эхолокатора — они кричали в туман, прислушиваясь к отражавшемуся от прибрежных скал эху. Улавливая направление, откуда шло отражение звука, и высчитывая секунды, затраченные отраженным звуком на путь, моряки худо-бедно представляли себе местонахождение береговой линии — чем период запаздывания короче, тем большая земля ближе. А поскольку прохладный воздух у самой воды направлял отраженный звук вниз, до моряков доносилось эхо, возвращавшееся с большего, нежели обычно, расстояния.
* * *Мне радостно сознавать, что попытка использовать принцип рефракции для улавливания происходящего на другом конце мира помогла объяснить загадочный Розуэллский инцидент 1947 года; благодаря этому событию тихий городок посреди пустыни в штате Нью-Мексико обрел статус мировой столицы НЛО. Только не подумайте, будто я питаю нездоровое пристрастие к инопланетянам и пустыне.
Разобравшись в сути процесса рефракции, мы похороним одну из самых живучих теорий заговоров: почему обломки НЛО были найдены возле Розуэлла, а факт их обнаружения тщательно скрыт запаниковавшим военным чином. Началась же вся эта история с одного ученого.
Во время Второй мировой войны доктор Морис Юинг, геофизик из Океанографического института Вудс-Хоул, штат Массачусетс, сделал открытие, связанное с проходящими через океанические толщи звуковыми волнами. Юинг специализировался на изучении строения морского дна с помощью звуковых волн, и потому ВМС США поручили ему исследовать поведение звука под водой — от этого в немалой степени зависел исход так называемой войны субмарин. В 1943 году ученый доказал существование подводного звукового канала на глубине около километра (в зависимости от географической широты). Канал улавливает звуковые волны; распространяясь внутри канала, они проходят гораздо большие расстояния. В основе же такого поведения волн лежит принцип рефракции.
В типичной океанической акватории средних широт скорость звуковых волн, распространяющихся через поверхностные слои воды, равна примерно 5 500 км/ч (широта имеет значение, поскольку температура воды на экваторе и на Южном или Северном полюсе сильно разнится). По мере погружения температура понижается, а значит, и скорость замедляется: до 5 310 км/ч на глубине около 1,2 км. На еще большей глубине температура перестает падать, однако давление воды по-прежнему растет. Благодаря растущему давлению звук снова набирает скорость. На глубине около 5 км скорость звука возвращается к цифре 5 500 км/ч. В подводном звуковом канале на глубине чуть менее километра звук идет с самой низкой скоростью (в теплой воде тропиков подводный звуковой канал находится глубже; чем ближе к полюсам, тем глубина залегания канала меньше). Благодаря эффекту рефракции глубина подводного звукового канала также является областью задержки большей части энергии, переносимой звуковой волной — волна не может распространяться ни вверх, ни вниз, а только по горизонтальной плоскости.
Представьте себе кита-горбача, издающего звуки на глубине подводного звукового канала. В обычной ситуации звуковые волны распространялись бы от кита непрерывно расширяющимися окружностями. Однако попадая в подводный звуковой канал, части волны, идущие в направлении поверхности, ускоряются и поворачивают к земле, а части, направлявшиеся вглубь, ускоряются и устремляются вверх. Благодаря «потолку» более высоких температур и «полу» все возрастающего давления, волны распространяются не в виде окружностей, а в виде непрерывно расширяющихся цилиндров. Песня кита-горбача в ограниченном водном пространстве будет слышна и другим находящимся в канале китам, распространяясь на сотни километров. Еще в 1970-х годах морские биологи предположили: киты-горбачи и другие китообразные, например высоколобый бутылконос, используют подводный звуковой канал для общения друг с другом. Но к единому мнению относительно истинности этой гипотезы до сих пор не пришли.
Неизвестно, когда о подводном звуковом канале стало известно китам, однако среди людей первым человеком, обнаружившим его существование, стал Юинг. Канал назвали каналом звуколокации; ВМС США щедро финансировали исследования Юинга, надеясь потом использовать канал в военных целях. Юинг предложил создать сеть подводных микрофонов, или гидрофонов, которые предполагалось задействовать при поиске потерпевших крушение над океаном пилотов. Терпящий бедствие летчик опускает в воду полый металлический шар, называемый шаром канала звуколокации. Шар погружается в воду и на глубине около километра под давлением воды взрывается, порождая внутри подводного звукового канала звуковую волну. Сигнал засекают на расстоянии сотен тысяч километров и методом триангуляции, сравнивая данные разных гидрофонов, определяют местоположение летчика.
Так как в мирное время все внимание военных было сосредоточено на Советском Союзе, Юингу, в то время работавшему уже в Колумбийском университете, поручили разработать механизм обнаружения проводимых русскими ядерных испытаний. Юинг уже догадался, что тот же самый принцип применим не только в океане, но и в атмосфере — в воздухе должен быть такой же звуковой канал, поскольку с высотой атмосферная температура меняется. Что, если через воздушный звуковой канал, называемый атмосферным волноводом, можно улавливать взрывы, происходящие на другом конце земного шара?
В среднем воздух тропосферы с увеличением высоты охлаждается. Тропосфера — нижний слой атмосферы: примерно 11 км над полюсами и 18 км над экватором. Граница между тропосферой и стратосферой отмечается повышенной концентрацией озона и других газов, которые поглощают солнечное тепло гораздо охотнее, чем газы в тропосфере. Итак, по мере того, как вы переходите границу тропосферы, воздух перестает охлаждаться, но еще не начинает вновь нагреваться в нижней части стратосферы. Другими словами, образуется своего рода «бутерброд»: область холодного воздуха в верхней части тропосферы, зажатая более теплым воздухом снизу и сверху. Поскольку скорость звука зависит от температуры воздушной среды, эта область холодного воздуха в атмосфере ведет себя аналогично подводному звуковому каналу. Внутри «бутерброда» с более холодным воздухом звуковые волны задерживаются, поскольку те части волны, которые шли вверх или вниз, ускоряясь в более теплом воздухе, устремляются к середине канала. Как и в случае с подводным звуковым каналом, на высоте, где распространение звука замедляется, волны энергию теряют.
